GaN HEMT technology for high-performance RF application

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Gallium nitride (GaN) high-electron-mobility transistors (HEMTs) are indispensable in next-generation high-power and high-frequency systems owing to intrinsic advantages such as high electron mobility and high breakdown electric field. Fully exploiting these merits requires optimization of device scaling, gate architecture, and thermal management. In practice, achieving simultaneous high-power and high-frequency operation remains challenging because short-channel effects, parasitic delays, and self-heating limit device reliability and performance. This dissertation addresses these issues by developing and experimentally validating advanced device technologies that extend the electrical and thermal limits of GaN HEMTs. The research is organized into three domains: (1) device scaling, (2) gate structure engineering, and (3) thermal management.
First, device scaling was investigated through lateral and vertical dimensional variations. Lateral scaling showed that gate length reduction enhances transconductance and cutoff frequency owing to reduced carrier transit time, whereas excessive scaling induces severe short-channel effects and degrades breakdown robustness. Gate width and finger number had negligible influence on RF characteristics, while source–gate spacing affected only DC behavior. In contrast, reducing source–drain spacing improved RF
xiiimetrics at the expense of breakdown voltage. Vertical scaling using a thin InAlGaN barrier yielded significant gains in transconductance and high- frequency performance, confirming barrier engineering as a key factor for high-speed operation.
Second, gate structure engineering was implemented to suppress parasitic RC delays and enhance high-frequency response. Conventional T-gate structures exhibited lower gate resistance and parasitic capacitances than
planar-gate devices, resulting in improved fT
and f
max. A novel HSQ-assisted
gate architecture was further developed, combining the RF benefits of T-gates with the fabrication simplicity and compatibility of planar-gate technology.
Third, thermal management was enhanced by integrating an embedded microchannel cooling structure beneath the active region. This manifold reduced thermal resistance and channel temperature, thereby improving power-added efficiency, gain, and power-handling capability under high-power operation.
In conclusion, this dissertation establishes a unified framework for high- performance GaN HEMTs through systematic optimization of device scaling, gate architecture, and thermal management. The proposed technologies extend the electrical, thermal, and RF performance limits of GaN HEMTs, offering a pathway toward next-generation high-power, high-frequency semiconductor devices

국문 초록 (Abstract)

질화갈륨(GaN) 기반 고전자이동도 트랜지스터(HEMT)는 높은 전자 이동도와 우수한 항복 전기장을 바탕으로 차세대 고출력·고주파 시스템의 핵심 소자로 자리매김하고 있다. 그러나 이러한 물질적 장점을 실질적인 소자 성능으로 완전히 전환하기 위해서는 소자 스케일링, 게이트 구조, 열관리 기술을 최적화해야 한다. 실제로 고출력과 고주파 특성을 동시에 달성하기 위해서는 단채널 효과, 기생 요소로 인한 지연, 그리고 자체 발열과 같은 근본적 제약이 존재하여 소자 성능과 신뢰성을 제한한다. 본 학위논문은 이러한 한계를 극복하고 GaN HEMT의 전기적·열적 성능 한계를 확장하기 위해 개발된 소자 기술을 제시하며, 연구 내용은 (1) 소자 스케일링, (2) 게이트 구조 공학, (3) 열관리 기술의 세 가지 분야로 구성된다.
첫째, 소자 스케일링은 수평 및 수직 방향의 구조적 변수를 중심으로 체계적으로 분석되었다. 수평 스케일링에서는 게이트 길이를 감소시키면 전자 이동 시간이 단축되면서 트랜스컨덕턴스와 차단 주파수가 향상되는 반면, 과도한 축소는 두드러진 단채널 효과와 항복 전압 저하를 야기함을 확인하였다. 다른 수평 구조 변수 중 게이트 폭과 게이트 핑거 수는 RF 성능에 거의 영향을 미치지 않았으며, 소스–게이트 간격은 DC 동작 특성만 변화시키고 고주파 성능에는 영향을 주지
114않았다. 반면, 소스–드레인 간격을 축소하면 RF 특성이 현저히 개선되지만 항복 전압 감소라는 트레이드오프가 발생하였다. 수직 스케일링에서는 얇은 InAlGaN 장벽층을 적용하여 높은 트랜스컨덕턴스와 우수한 고주파 성능을 달성하였고, 이를 통해 장벽층의 감소가 소자 RF 특성 향상의 핵심 요소임을 입증하였다.
둘째, 게이트 구조 공학을 통해 기생 RC 지연을 억제하고 고주파 응답을 향상시키고자 하였다. 기존 티형-게이트는 낮은 게이트 저항과 기생 커패시턴스를 제공하여 평면-게이트 대비 우수한 fT 및 fmax 성능을 나타냈다. 여기에 더해, 본 연구에서는 티형 -게이트의 RF 성능 이점을 유지하면서도 공정 단순성·재현성을 갖춘 플래너 게이트의 장점을 결합한 새로운 HSQ 기반 게이트 구조를 제안하였다. 이 구조는 기존 티형-게이트 공정의 복잡성을 수반하지 않으면서도 고주파 특성을 효과적으로 향상시키는 대안적 게이트 아키텍처임을 확인하였다.
셋째, 열관리 기술로서 활성영역 하부에 매립형 마이크로채널 냉각 구조를 도입하였다. 이 구조는 열저항과 채널 온도를 크게 감소시켜 고출력 동작 시 전력 부가 효율과 이득을 향상시키는 동시에 열적 안정성을 효과적으로 확보하였다.
종합적으로, 본 논문은 소자 스케일링, 게이트 구조, 그리고 열관리 기술을 적용하여 고성능 GaN HEMT 구현을 위한 설계 및 제작에 대한 가이드라인을 제시하고자 한다. 제안된 기술들을 통해 GaN HEMT의 전기적·열적·RF 성능 한계를 동시에 확장함으로써 차세대 고출력·고주파 반도체 소자로의 응용 가능성을 입증하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• 1. Fundamentals of GaN HEMTs 1
• 1.1. Epitaxial architecture 1
• 1.2. Polarization in wurtzite Ⅲ-nitrides 3
• 1.3. Two-dimensional electron gas (2DEG) formation 4
• 2. Advantage of GaN HEMTs 6
• 2.1. Comparison of material properties 6
• 2.2. Device-level advantages of GaN HEMTs 8
• 2.3. System-level benefits in RF power applications 9
• 3. GaN HEMTs for RF application 10
• 3.1. Telecommunication and infrastructure applications 12
• 3.2. Military and defense applications 12
• 3.3. Satellite and space communication 13
• 3.4. Mobile and consumer electronics 13
• 3.5. Other emerging applications 14
• 4. Motivation and challenges 14
• 4.1. Current status of commercial RF GaN technologies 14
• 4.2. Future development directions 15
• 4.2.1. High-power performance 15
• 4.2.2. High-frequency performance 17
• 4.3. Technologies required for high-performance 19
• 4.3.1. Device scaling 20
• 4.3.2. Gate structure engineering 21
• 4.3.3. Thermal management 22
• Ⅱ. Device scaling 24
• 1. Introduction 24
• 2. Experiment 27
• 2.1. Epi-structure 27
• 2.1.1. Epi-structure for lateral scaling 27
• 2.1.2. Epi-structure for vertical scaling 28
• 2.2. Device fabrication 28
• 3. Results and discussion 29
• 3.1. Lateral scaling 29
• 3.1.1. Gate length (LG) 30
• 3.1.2. Gate width (WG) and fingers (NF) 38
• 3.1.3. Source to gate distance (LSG) 43
• 3.1.4. Source to drain distance (LSD) 46
• 3.2. Vertical scaling 48
• 4. Summary 52
• Ⅲ. Gate structure engineering 54
• 1. Introduction 54
• 2. Experiment 56
• 2.1. Fabrication of P-gate and T-gate 56
• 2.2. Fabrication of HSQ-assisted gate 57
• 3. Results and discussion 60
• 3.1. Comparative study of planar-gate and T-gate 60
• 3.2. HSQ-assisted gate 70
• 4. Summary 76
• Ⅳ. Thermal management 78
• 1. Introduction 78
• 2. Experiment 80
• 2.1. Thermal hydraulic modeling 80
• 2.2. Fabrication of embedded channel on SiC substrate 82
• 2.3. Packaging for thermal-electrical co-measurement 86
• 2.3.1. RF package 87
• 2.3.2 DC package 87
• 2.3.3. Reference package 88
• 2.4. Setup for thermalelectrical co-measurement 88
• 3. Results and discussion 90
• 4. Summary 96
• Ⅴ. Conclusion 98
• References 102
• Korean Abstract 114